Conexión directa de múltiples sensores a microcontroladores sin utilizar convertidor analógico digital

Custodio Ruiz, Ángel Augusto Torres, Rafael

UNEXPO, Centro Instrumentación y Control cicunexpo@gmail.com

Resumen

En la industria, se encuentra una diversidad de procesos que deben ser controlados o simplemente supervisados usando sensores que envían una señal proporcional a la variable que se está midiendo. Todas estas señales deben adecuarse usando una tarjeta para cada sensor antes de ser transmitidas al sistema de control o supervisión. Estas tarjetas producen un aumento de costos, ya que tienen un alto contenido de componentes analógicos y se requeriría la compra o desarrollo de una para cada tipo de sensor. Es por esto que urge cumplir el objetivo de diseñar e implementar un sistema universal de adquisición de datos analógicos, que permita medir señales de diversos transductores sin la necesidad de realizar cambio en el hardware, y que admita la visualización de dichas señales en una computadora. Este sistema usa la conversión digital directa, es decir, no requiere amplificadores de instrumentación ni convertidores analógicos-digitales, reduciéndose significativamente el costo. Además este sistema tiene la capacidad de tomar la señal de diversos tipos de sensores capacitivos o resistivos y adecuarla para poder ser transmitida. Este sistema funciona en 15 formas diferentes, desde sensores capacitivos de 2 pF hasta 300 pF y sensores resistivos como Pt100 o Pt1000, termistores, puentes resistivos y potenciómetros, presentando un error menor al 1% con respecto a la referencia usada, una velocidad de muestreo aproximada de 100 ms con una linealidad y precisión de 13 y 14 bits respectivamente.

Palabras clave: Control por Computadora / Conversión Digital Directa / Sistema de Adquisición

I. INTRODUCCIÓN.

En la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José De Sucre”, se hizo una investigación sobre el diseño de una interfaz inteligente, por parte de Víctor Goncalves [1] en agosto de 2002, que utilizaba a la UTI como principal componente del sistema, teniendo como objetivo el realizar una interfaz inteligente para sensores resistivos acoplados a un microcontrolador PIC16F84A utilizando el dispositivo UTI como interfaz. Esta investigación sólo planteaba la utilización de la UTI en 3 Módulos diferentes, y permitía la visualización de lo sensado por los sensores en 4 display. En esta investigación no se pudo implementar el diseño del dispositivo, quedando sólo como una propuesta para la realización de una futura investigación.

Otras implementaciones de la UTI se han realizado fuera de la universidad, como la hecha por Geert Mul [2] en la Bienal de Artistas Emergentes el 17 de abril del 2000 en Torino (Italia), que utilizó la UTI como parte de una obra de arte que consistía en dos pantallas grandes que colgaban del techo de una galería en el centro de Turín. La pantalla mostraba videoclips cortos escogidos de un grupo de clips por Geert y niños de la ciudad de Turín.

La instalación interactuaba con los transeúntes, a través del uso de 3 sensores capacitivos conectados a la Tarjeta de Evaluación UTI. El software V2_Lab de Epic Generador era usado para permitir que la actuación de los usuarios influyera en la selección del material de video.

Existen otras investigaciones realizadas para resolver situaciones específicas como la de la medición de un PT100 o PT1000 con un cable muy largo, realizado por Xiujun Li [3], el 22 de Febrero del 2000, y la medición de una señal de voltaje de una termocupla usando el modo Ib2 de la UTI, también realizado por Xiujun Li [4].

Este trabajo se organiza de la siguiente manera: una descripción del experimento a realizar, en la cual se estudio el hardware y software propuesto de interfaz; luego se analizan los resultados obtenidos

II. DESARROLLO.

1. Descripción del experimento

Se realizó un sistema de adquisición de múltiples datos analógicos basado en conversión digital directa, usando una baquelita orificada como base y los chips UTI, 16F876, ADM203.

Este sistema cuenta con 6 módulos que se pueden utilizar para los diferentes modos de funcionamiento del sistema. El dato enviado por la UTI en modulación de pulso es recibido por el PIC 16F876 y convertio en un número de 24 bits. Este número es enviado por comunicación serial a una computadora personal, que lo recibe utilizando un software en Labview, y realiza las operaciones correspondientes para obtener el dato equivalente a la variable medida por el sensor.

Este software envía información al sistema sobre el tipo de sensor o modo en que el sistema debe trabajar.

1.1. Hardware

El circuito en la Figura 1, muestra las conexiones del hardware del sistema, partiendo del conector J1, en el cual se conectan los diversos módulos. Luego éste es conectado a los pines A, B, C, D, E, F, de la UTI, que trabajan a una alta frecuencia con valores entre 5V y 0V. La señal recibida en estos pines es procesada por la UTI y transmitida por el pin OUT, que pasa a través de una resistencia de 1k para limitar la corriente entre el pin OUT de la UTI y el pin RC2/CPP1 del PIC.

Figura 1. Circuito Electrónico del sistema, instalado en la baquelita SB-1006P

Los pines SF y CML se condenan a 0V, haciendo que el sistema funcione en una velocidad lenta y no multiplexado.

Los pines de selección de modo SEL1, SEL2, SEL3 y SEL4, son conectados directamente a los pines RA3, RA2, RA1, RA0, del PIC. El pin PD está conectado al pin RA5 del PIC y a un led indicador de encendido del sistema. En el PIC, aparte de las conexiones mencionadas, se encuentran las conexiones para permitir la comunicación serial del sistema con la computadora y la conexión de éste con el cristal. Entre los pines OSC1/CLKIN y OSC2/CLKOUT se conecta un cristal de 4 MHz, que se utiliza para dar la frecuencia de trabajo del PIC. El pin RC6/TX/CX transmite la información procesada por el PIC en forma serial a 9600 baudios en niveles TTL hacia el pin T2IN del ADM203, que convierte esta señal a un formato RS – 232 en niveles de 9 y -9 V y luego la envía por el pin T2OUT. El pin RC7/RX7/DT recibe la información emitida del ADM203 en forma serial a niveles TTL del pin R2OUT. Dicha información es antes recibida por el pin R2IN del ADM203 en formato RS – 232 en niveles de 9 y -9 V. Los pines T2OUT y R2IN son conectados al conector J2. El ADM203, necesita otras conexiones extras para su funcionamiento, como unir los pines C2+ (pin 11 y pin 15) y los pines C2- (pin 10 y pin 16) y una alimentación de 12 V y -12 V.

1.1. Conexión Hardware-PC.

Como se menciona en el punto anterior, se realiza una transmisión de datos en forma serial (Figura 2). Esta transmisión se realiza en un formato RS – 232 de 10 bit, sin bit de paridad, con un bit de stop y 1,5 de arranque. Para esto se usa un cable serial de 3 hilos que tiene Tx, Rx, y Gnd. El cable Tx se conecta al pin 2 del conector J2 en el sistema y al pin 2 del conector DB-9 del PC.

Figura 2. Esquema de conexión Hardware - PC

El cable Rx se conecta al pin 1 del conector J2 en el sistema y al pin 3 del conector DB-9 del PC. El cable Gnd se conecta al pin 3 del conector J2 en el sistema y al pin 5 del conector DB-9 del PC.

1.1. Filosofía de Comunicación Hardware - Software.

La forma como se comunica el hardware sistema con su software es el siguiente:

Estando alimentado y conectado el hardware del sistema al PC, se ejecuta el programa y éste envía automáticamente el número 00H hacia el hardware del sistema, para asegurar que no esté funcionando.

Cuando se activa (botón OK) o detiene (botón STOP) un modo de funcionamiento del sistema, se envía un número de 8 bit al hardware, en donde los 4 bit menos significativos indican el modo del funcionamiento y el bit 5 indica el encendido (1 lógico) o el apagado (0 lógico) del sistema.

En respuesta a esta palabra, el PIC coloca los datos recibidos en el puerto A, y luego retorna la palabra a la PC, para que ésta verifique si los datos coinciden.

En caso de no coincidir, se mostrará un aviso indicando que se debe repetir la transmisión en forma manual (Presionar STOP u OK de nuevo).

Esta filosofía de comunicación permite que el usuario confie en que el modo utilizado sea el seleccionado.

1.1. Descripción del Software del PIC 16F876

El PIC 16F876 se uso básicamente como una interfase entre la computadora y la UTI y viceversa, puesto que la computadora envía la palabra de control indicando el modo de funcionamiento y el Power Down y la UTI envían señales en forma de modulación de pulso.

Otra razón fundamental para el uso del PIC es que no se pueden atender interrupciones por hardware usando labview y además, como la computadora realiza múltiples procesos, puede perder información enviada por la UTI si se conecta directamente a ella. A continuación se presenta un conjunto de algoritmos que describen el software (ver Figura 3)

Algoritmo 4.1 Funcionamiento del cuerpo del programa

Algoritmo 4.2 Atención y selección de interrupción

Figura 3. Descripción del software del PIC 16F876

1.1. Descripción del Software realizado en Labview 6.1

Labview permite el desarrollo de un instrumento virtual en la PC, lo que hace que su interfase hombre-máquina sea muy amigable al usuario y de fácil uso ya que se parece a un instrumento real. La Figura 4 presenta la descripción del panel de control del sistema.

Figura 4. Descripción del Panel Frontal realizado en LabView como mecanismos de interacción con el hardware

1. Resultados y análisis

En la Figura 5 se muestra el circuito de la Figura 1 montado en protoboard. El sistema cuenta con 6 módulos diferentes con una configuración que facilita la colocación de los sensores. Las Tablas I y II muestran una descripción de cada módulo. La palabra de control de la UTI, es recibida en los pines SEL1, SEL2, SEL3 y SEL4 y el encendido y apagado en el pin PD. Todos estos provenientes de los pines del PIC 16F876 de los pines RA3, RA2, RA1, RA0 y RA5 respectivamente. La señal emitida de la UTI proviene del pin OUT y es compatible con los niveles de funcionamiento del PIC. Esta señal se conecta al pin RC2/CPP1 pasando por una resistencia de 1k. El pin PD de la UTI está conectado a un led indicador que se enciende cuando el sistema está funcionando y se apaga cuando la UTI está en modo de alta impedancia, lo que permite el cambio de módulos sin poner en riesgo el sistema. El PIC funciona con un cristal a 4 MHz, y recibe la señal de la UTI por el pin RC2/CPP1 en modo captura. Luego éste procesa la información y la envía en forma serial por el pin RC6/TX/CK hacia el ADM203 y recibe información del ADM203 por el pin RC7/RX/DT. El chip ADM203, es un chip de comunicación serial que tiene la particularidad de no usar ningún capacitor externo para la comunicación puesto que los lleva dentro del integrado. Éste se conecta a los pines de transmisión y recepción del PIC por los pines T2in y R2out. El pin T2in recibe los datos del PIC y el pin R2out envía los datos hacia el PIC. Los pines T2out y R2in, se usan para la comunicación con el computador personal en formato RS-232. T2out envía los datos hacia la computadora y R2in recibe los datos desde la computadora.

Figura 5. Foto del sistema

Tabla I. Módulos del sistema

Tabla II. Módulos del sistema

III. CONCLUSIONES

1. El sistema integrado es capaz de recibir múltiples señales de sensores diferentes, sin necesidad de realizar importantes cambios en el hardware, y admitir la visualización de dichas señales en una computadora.

2. Este sistema usa la conversión digital directa, no requiere amplificadores de instrumentación ni convertidores analógicos-digitales, reduciéndose significativamente el costo.

3. El sistema tiene la capacidad de tomar la señal de diversos tipos de sensores capacitivos o resistivos y adecuarla para poder ser transmitida.

4. El sistema funciona en 15 formas diferentes, desde sensores capacitivos de 2 pF hasta 300 pF y sensores resistivos como Pt100 o Pt1000, termistores, puentes resistivos y potenciómetros, presentando un error menor al 1% con respecto a la referencia usada, una velocidad de muestreo aproximada de 100 ms con una linealidad y precisión de 13 y 14 bits respectivamente.

IV. REFERENCIAS

1. Goncalves, Víctor. Diseño de una interfaz inteligente. Ciudad Guayana, UNEXPO, Agosto 2002, 150 pp.        [ Links ]

2. Prelz, Carlo. Use of Smartec BV’s Universal Transducer Interface Integrated Circuit and Evaluation Board for Geert Mul’s Intervention at BigTorino 2000. Formato PDF en www.smartec.nl, Página principal de la compañía Smartec. Ultima revisión 2003.        [ Links ]

3. Li, Xiujun. Nota de aplicacion de la UTI: The Measurement of Pt100/Pt1000 with a Very Long Cable Wire. Formato PDF en www.smartec.nl, Página principal de la compañía Smartec. Ultima revisión 2003.        [ Links ]

4. Li, Xiujun. Voltage Signal Measurement with Ib2 Mode of UTI. Formato PDF en www.smartec.nl, Página principal de la compañía Smartec. Ultima revisión 2003.        [ Links ]